Μήπως η σκοτεινή ενέργεια κρύβεται στις κρυφές χωρικές διαστάσεις;

Πηγή: NewScientist, 13 Ιουλίου 2007

Η μυστήρια κοσμική ουσία που είναι γνωστή σαν σκοτεινή ενέργεια και επιταχύνει την διαστολή του Κόσμου, μπορεί να βρίσκεται στις κρυμμένες διαστάσεις του χώρου. Η ιδέα αυτή θα εξηγούσε πώς παραμένουν σταθερές αυτές οι διαστάσεις - ένα μεγάλο πρόβλημα για την ενοποίηση της φυσικής που επεξεργάζεται η θεωρία χορδών.

Από τότε που οι αστρονόμοι ανακάλυαν στα μέσα της δεκαετίας του '90 ότι άλλοι γαλαξίες επιταχύνονται μακριά από το δικό μας Γαλαξία, οι φυσικοί έχουν προσπαθήσει να εξηγήσουν το γιατί. Η αγαπημένη τους υπόδειξη είναι οι κβαντικές δονήσεις στο κενό του διαστήματος (που λέγεται κενή ενέργεια ή κοσμολογική σταθερά), που θα μπορούσαν να παραγάγουν την απωστική βαρύτητα.

Σύμφωνα με τους υπολογισμούς, εντούτοις, αυτές οι δονήσεις πρέπει είτε να κατέχουν μια αφάνταστα υψηλή ενεργειακή πυκνότητα - 122 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από όσο παρατηρείται - είτε να είναι ακριβώς μηδέν εξουδετερούμενες. Για να κάνουν την ενεργειακή πυκνότητα σχεδόν - αλλά όχι εντελώς - μηδέν, σε συμφωνία με τις αστρονομικές παρατηρήσεις, θα πρέπει  να ξεχάσουν οι φυσικοί τις εξισώσεις του κβαντικού πεδίου.

Εκτός κι αν, δηλαδή οι κβαντικές δονήσεις είναι κολλημένες σε ένα μικρό χώρο.

Ο Brian Greene και Janna Levin του πανεπιστημίου Κολούμπια στη Νέα Υόρκη, συνειδητοποίησαν ότι αν ήταν περιορισμένες σε έναν χώρο, τότε οι φυσικές συχνότητες συντονισμού θα ξεχωρίζουν, αποτρέποντας έτσι τις δονήσεις από το να εξουδετερωθούν  ολοκληρωτικά. Μοιάζει λίγο σαν τις νότες συντονισμού που παράγονται από ένα μουσικό όργανο - μόνο που αντί να έχουμε ηχητικά κύματα, οι δονήσεις είναι παλλόμενα κβαντικά πεδία δύναμης, και αντί για το όργανο είναι ένα σύνολο διαστάσεων κάθετα στη γνωστή πραγματικότητα.

Ακόμα κι αν οι δονήσεις είναι περιορισμένες σε αυτές τις κρυμμένες διαστάσεις, μπορούν να μεταφέρουν την βαρυτική επίδραση τους στο γνωστό μας χώρο. Η βαρύτητά τους είναι, επίσης, απωστική στον χώρο μας, ακριβώς σαν την 'συνηθισμένη' κοσμολογική σταθερά, κι αυτό θα προκαλούσε μια κοσμική επιτάχυνση. Για να πάρουν την ίδια επιτάχυνση που βλέπουν οι αστρονόμοι, οι Greene και Levin υπολογίζουν ότι οι πρόσθετες διαστάσεις πρέπει να έχουν μια κλίμακα περίπου 0,01 χιλιοστών. Η σκοτεινή ενέργεια θα ήταν κρυμμένη σε χώρο λιγότερο από το πλάτος μιας τρίχας.

Σταθεροποιημένα στις βράνες

Βέβαια οι δύο φυσικοί έχουν απλώς σκιαγραφήσει αυτή την ιδέα. "Θέλουμε να την κάνουμε γνωστή και οι άλλοι άνθρωποι να συμβάλουν με τις ιδέες τους," λέει η Levin.

Αλλά την ιδέα τους μπορούν να την χρησιμοποιήσουν για να λύσουν ένα άλλο, περισσότερο δυσνόητο πρόβλημα. Μία από τις πιο δημοφιλείς θεωρίες, υποψήφια θεωρία που θα ενώνει τη βαρύτητα με τις άλλες δυνάμεις η θεωρία των χορδών, απαιτεί να υπάρχουν επτά πρόσθετες διαστάσεις όλες τους περιτυλιγμένες σε πολύ μικρό χώρο. Δυστυχώς, αποδεικνύονται ασταθείς, εκτεθειμένες στον κίνδυνο να ανατιναχτούν.

Στη νέα θεωρία των Brian Greene και Janna Levin, αυτές οι πρόσθετες διαστάσεις μπορούν να είναι αναγκασμένες να συμπεριφερθούν έτσι. Γιατί η σωστή ισορροπία της δύναμης των κβαντικών πεδίων θα ενεργούσε σαν ένα δύσκαμπτο ελατήριο μέσα στις πρόσθετες διαστάσεις, κάνοντας τις έτσι να έχουν ένα ορισμένο μέγεθος.

"Φαίνεται ότι αξίζει να εξεταστεί αυτή η ιδέα για το που οδηγεί", λέει ο Glenn Starkman, θεωρητικός κοσμολόγος στο πανεπιστήμιο Case Western Reserve στο Κλήβελαντ του Οχάιο.

Ο Kimball Milton του πανεπιστημίου της Οκλαχόμα συμφωνεί. "Το μοντέλο που παρουσιάζουν φαίνεται ιδιαίτερα αδικαιολόγητο. Εντούτοις, μπορεί να το πάρουμε ως μια απόδειξη ύπαρξης μιας σταθερής λύσης, γι αυτό ελπίζω ότι θα προκαλέσει έρευνες προς αυτήν την κατεύθυνση."

Πειραματικές διαδικασίες

Αλλά αν οι διαστάσεις είναι πράγματι πλάτους 10 μικρών, γιατί δεν μπορούμε να τις δούμε;

Προς το παρόν, η θεωρία των Greene και Levin λειτουργεί μόνο μέσα στον κόσμο των βρανών της κοσμολογίας, η οποία περιγράφει τον τρισδιάστατο Κόσμο μας ως μια μεμβράνη που επιπλέει στον χώρο των πολλών διαστάσεων. Τα περισσότερα σωματίδια και πεδία είναι στέρεα σταθερά με τις βράνες, κι αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο δεν μπορούμε να δούμε τις πρόσθετες διαστάσεις ή να βαδίσουμε πλευρικά πάνω τους.

Στη βασική έκδοση του κόσμου των βρανών η μόνη δύναμη που φτάνει πέρα από τη βράνη είναι η βαρύτητα. Το πεδίο βαρύτητας μόνο του δεν θα είχε δονήσεις με σωστές ιδιότητες για τη θεωρία των Greene και Levin, κι έτσι έπρεπε να προσθέσουν ένα άλλο πεδίο  ad hoc και να καθορίσουν τη δύναμή του για να παραγάγουν το σωστό μέτρο της άπωσης.

Εντούτοις, υπάρχει και μια αισιοδοξία και η αιτία της είναι ότι το προτεινόμενο πεδίο έχει σχεδόν ακριβώς την ίδια ισχύ με το πεδίο που συνδέεται με τα νετρίνα - τα ελαφριά σωματίδια που γλιστρούν μέσα από την ύλη και αισθάνονται μόνο τις ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις. Το πεδίο των Greene και Levin δεν μπορεί να προέρχεται από τα συνηθισμένα νετρίνα, επειδή όπως κι άλλα σωματίδια, αυτά είναι 'καρφωμένα' στη βράνη μας. Γι αυτό προτείνουν ότι ένα "άγονο ή στείρο" νετρίνο θα μπορούσε να υπάρχει στις πρόσθετες διαστάσεις, καθιστώντας την παρουσία του αισθητή μόνο ως πηγή της σκοτεινής ενέργειας.

Η θεωρία των Greene και Levin υπονοεί ότι η βαρύτητα θα πρέπει να γίνεται ισχυρότερη σε μικρά περιοχές, κοντά στην κλίμακα των πρόσθετων διαστάσεων. Ο Eric Adelberger και η ομάδα του στο πανεπιστήμιο Ουάσιγκτον στο Σιάτλ, έχει εκτελέσει μια σειρά πειραμάτων χρησιμοποιώντας ένα εκκρεμές στρέψης για να μετρήσει την ισχύ της δύναμης της βαρύτητας σε μικρές αποστάσεις, και ήδη έχει αποκλείσει τις πρόσθετες διαστάσεις μεγαλύτερες από 0,1 χιλιοστά. Η ομάδα του προγραμματίζει  ένα νέο πείραμα για να εξετάσει την ισχύ της δύναμης της βαρύτητας σε ακόμα πιο μικρές αποστάσεις.

Εάν το εκκρεμές του Adelberger αρχίσει να βλέπει ότι η βαρύτητα αυξάνεται κάτω από τα 0,01 χιλιοστά, θα μπορούσε να είναι ένα σημάδι ότι οι Greene και Levin έχουν δίκιο, και ότι η δύναμη που αναγκάζει να διαστέλλεται το σύμπαν με επιτάχυνση πραγματικά είναι ένας εισβολέας από μια άλλη διάσταση.

Η θεωρία των χορδών αξιώνει ότι ζούμε σε ένα κόσμο 10 διαστάσεων. Φαντασθείτε λοιπόν ότι αντί να ζούμε σ' ένα 4-διάστατο χώρο (3 χωρικές και 1 χρονική διάσταση) και οι υπόλοιπες 6 διαστάσεις να είναι κουλουριασμένες σε τόσο μικρά σφαιρίδια, που δεν υπάρχει περίπτωση να τις παρατηρήσουμε ποτέ άμεσα, υπάρχουν δύο 4-διάστατοι χώροι: Ο δικός μας και ένας άλλος που βρίσκεται σε μικρή απόσταση από τον πρώτο.

Μια 2-διάστατη επιφάνεια συνδέει αυτές τις δύο βράνες, άρα οι διαστάσεις είναι 4+4+2 = 10. Το συμπέρασμα είναι ότι ανέκαθεν υπήρχε μια άλλη βράνη, σε απόσταση 1 χιλιοστού, περίπου, από τη δική μας, στην οποία δεν θα μπορούσαμε ποτέ να ταξιδέψουμε επειδή δεν είμαστε βαρυτόνια. Είναι το είδος των υποθέσεων το οποίο όσοι ασχολούνται με τη θεωρία των χορδών δεν αποκαλούν "ξεκάθαρα γελοίο" αλλά  παραφράζοντάς το "στρυφνό, εφιαλτικό σενάριο"! Είναι πάντως συνεπές από μαθηματική άποψη, ακόμη κι αν συντρίβεται η κοινή λογική μας.  

Όλες οι θεωρίες αυτές αγγίζουν τα όρια της ανθρώπινης λογικής. Κανείς δεν γνωρίζει αν κάποια από αυτές ισχύει πραγματικά, επειδή κανείς δεν έχει προσδιορίσει πως θα μπορούσαμε να ελέγξουμε την αλήθεια τους με βάση το φυσικό κόσμο. Αυτές οι θεωρίες όμως θα αποσαφηνιστούν προοδευτικά τόσο σ' αυτούς που τις επεξεργάζονται όσο και σε μας. Η φιλοδοξία είναι να κατασκευαστεί μια Αληθινή θεωρία του Κόσμου, η οποία θα περιγράφει ένα Σύμπαν το οποίο θα μπορούμε να κατανοήσουμε πλήρως, χωρίς όμως σήμερα να μπορούμε να το φανταστούμε πως θα είναι.

Πολλοί επιστήμονες, ανάμεσα τους και ο Weinberg, πιστεύουν ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι η ενέργεια του κενού, που εκφράζεται από την κοσμολογική σταθερά Λ. Όμως στο σημείο αυτό πρέπει να αναφέρουμε το λεγόμενο πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς Λ (cosmological constant problem).

Σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας, όλα τα κβαντικά πεδία, ακόμα και όταν βρίσκονται στη βασική μη διεγερμένη  κατάσταση, έχουν μη μηδενική ενέργεια. Απλοί υπολογισμοί της κβαντικής θεωρίας πεδίου οδηγούν σε τιμές για την πυκνότητα της ενέργειας του κενού (δηλαδή για την κοσμολογική σταθερά Λ), που είναι 120 τάξεις μεγέθους (10¹²⁰) μεγαλύτερη από την πυκνότητα της συνηθισμένης ύλης (όπως παρατηρείται στο σύμπαν). Όμως πρώτον, μια τόσο μεγάλη πυκνότητα ενέργειας του κενού χώρου θα προκαλούσε μια εκθετικά επιταχυνόμενη κοσμική διαστολή που θα διέλυε όλους τους ηλεκτροστατικούς και πυρηνικούς δεσμούς, οι οποίοι συγκρατούν τους πυρήνες, τα άτομα και τα μόρια.

Και δεύτερον μετρήσεις στο χώρο της κοσμολογίας δίνουν ένα αρνητικό αποτέλεσμα, δείχνοντας έτσι έναν ανώτερο όριο της κοσμολογικής σταθεράς Λ.

Έτσι, η τελευταία τιμή υπονοεί ότι στην συνολική κλίμακα του σύμπαντος, τα φαινόμενα των διακυμάνσεων του κενού ακυρώνονται. Κι αυτή η αξιολόγηση έρχεται και σε μία εποχή, που οι θεωρητικοί υπολογισμοί υποδεικνύουν συνεισφορές της διακύμανσης του κενού από τα κουάρκ με μια τάξη 10^-6 m^-2.